Adaptive Armierung geometrisch komplexer zementgebundener Formkörper

Abstract

Die Additive Fertigung bzw. additive manufacturing (AM) mit mineralischen Werkstoffen stellt einen innovativen Ansatz in der Bauindustrie dar, mit dem sich ökonomische und ökologische Potentiale erschließen lassen. Aus ökonomischer Perspektive ermöglicht einerseits der schichtweise Auftrag des Ma- terials eine signifikante Reduktion des Materialverbrauchs, da Bauteile nicht mehr als massive Körper, sondern optimiert hinsichtlich ihrer Traglasten und anderer Funktions- anforderungen hergestellt werden können. Das Verfahren ermöglicht es, Material nur dort einzusetzen, wo es beispielsweise in statischer Hinsicht erforderlich ist. Dies führt neben geringeren Rohstoffkosten auch zu einem geringerem Aufwand für den Transport. Darüber hinaus kann der hohe Automatisierungsgrad des Prozesses Bauzeiten erheb- lich verkürzen und den Bedarf an menschlicher Arbeitskraft deutlich reduzieren. Der Ver- zicht auf Schalungen im Betonbau soll an dieser Stelle als Beispiel angeführt werden. Neben einer Produktivitätssteigerung kann das Verfahren zu einer Minimierung von Feh- lerquellen führen und dadurch helfen, die Kosten eines Bauwerks über den gesamten Lebenszyklus hinweg zu reduzieren. Auch aus ökologischer Sicht bietet die Additive Fertigung insbesondere für Bauteile, die Zement als Bindemittel nutzen, Vorteile. Durch einen dem Bedarf angepaßten Material- einsatz werden CO₂-Emissionen reduziert. Optimierte Bauteilgeometrien lassen sich auf diese Weise auch als Unikat ohne zusätzliche Kosten herstellen. Topologisch optimier- ten Formkörper können bei deutlich geringerem Materialbedarf die gleiche Leistungsfä- higkeit liefern. Die CO₂-Bilanz lässt sich darüber hinaus durch die Verwendung alterna- tiver Bindemittel, beispielsweise solcher auf Basis industrieller Nebenprodukte (Flug- asche, Hüttensand) weiter verbessern. Auch werden auf diese Weise die Abfallmengen reduziert. Integriert in eine digitale Prozesskette kann die Additive Fertigung dazu beitragen, die Bauwirtschaft zukunftsweisend zu entwickeln und den klimatischen Veränderungen ent- gegenzuwirken. Um jedoch die genannten Vorteile der additiven Fertigung mit zementgebundenen Werk- stoffen nutzen zu können, ist meist eine Armierung erforderlich. Zementbasierte Materialien weisen zwar eine hohe Druckfestigkeit jedoch nur eine ge- ringe Zug- und Biegezugfestigkeit auf. Diese Eigenschaft ändert sich auch durch die Verarbeitung mit AM nicht, und Konstruktionen, die ausschließlich mit Druckkräften be- ansprucht werden, sind selten. Um den bautechnischen und insbesondre den statischen Anforderungen von Bauwerken gerecht zu werden, ist deshalb die Integration geeigneter Verstärkungssysteme unerläß- lich. Bekannte Bewehrungsformen, wie Stahlstäbe oder -matten zur Armierung in den Beton einzulegen, sind mit einem AM Verfahren nicht, oder mit einem erheblichen Verlust an Produktivität realisierbar. Das von der DFG geförderte wissenschaftliche Netzwerke „Adaptive Armierung geome- trisch komplexer zementgebundener Formkörper“ (Fachkennziffer 410-01) befasste sich daher insbesondre mit alternativen Armierungskonzepten. Diese wurden eruiert und Lö- sungen, wie robotisch plazierte Stäbe oder textilbasierte Bewehrungen zur Verbesse- rung der mechanischen Eigenschaften mineralisch gebundener 3D gedruckter Bauteile bewertet. Das Netzwerk bestand aus Teilnehmenden verschiedener Fachrichtungen. Die Weiterentwicklung geeigneter Armierungstechnologien ist ein entscheidender Schritt, um die strukturelle Leistungsfähigkeit AM gefertigter Bauteile zu verbessern und die architektonischen Gestaltungsmöglichkeiten zu erweitern.